y形圈密封性能的有限元分析

y形圈密封性能的有限元分析

y型线圈是在往复运动中经常使用的密封元素之一。它不仅决定了系统的密封性能，还影响到相关设备的工作性能和使用寿命。由于往复密封实验的成本高、时间长、投入人力大使得基于ANSYS的密封性能研究得到重视。如利用ANSYS有限元软件,模拟不同截面形状弹性密封圈在不同压缩率和不同油压下的应力和压力分布,分析静密封条件下Y形橡胶密封圈的受力情况和动密封情况下的结构和运动参数的优化。而对静态密封情况下,Y型密封圈的结构参数对密封性能的影响研究较少。本文作者利用大型通用有限元分析软件ANSYS对活塞杆用橡胶Y形圈在静态密封条件下的工况进行了模拟,并分析了结构参数和静压工作参数对其密封性能的影响。1y形圈的物理模型有限元建模时,选择型号为Y50×65×12.5(GB/T10708.1-2000)的活塞杆用中型(L2)Y形密封圈,其截面主要尺寸如图1所示。密封圈的材料为腈基丁二烯橡胶(NBR),其IRHD硬度为85,弹性模量E=14.04MPa,泊松比υ=0.499。Y形圈有限元模型的单元类型选用PLANE183,相应的特殊特性选择超弹性(HYPER),单元公式使用混合U-P公式。Y形橡胶圈的材料为高度非线性材料,具有复杂的材料非线性、几何非线性和状态非线性特征。假定橡胶材料为近似不可压缩的材料模型,不考虑松弛和蠕变效应的影响,并采用2项参数的Mooney-Rivlin模型进行力学性能的模拟分析,其函数关系式为:式中:W为应变势能函数;I1和I2分别为第一和第二Green应变不变量;C10和C01为Rivlin系数,均为正定常数,本文取C10=1.87MPa,C01=0.47MPa。活塞杆和端盖材料均为45#钢,弹性模量E=210GPa,泊松比υ=0.31。由于工作过程中Y形圈的变形远远大于活塞杆和端盖的变形,所以活塞杆和端盖可视为刚体,不再划分实体单元网格。Y形圈、活塞杆和端盖组成的结构为近似轴对称结构,为节省ANSYS计算时间,将三维轴对称结构简化为二维平面轴对称结构进行有限元建模,可通过扩展命令(/EXPAND)将其扩展还原为三维实体模型。模型中定义了两个接触对:Y形圈和活塞杆的接触,Y形圈和端盖的接触。接触类型均选用刚体-柔体接触,接触方式为面-面接触。活塞杆和端盖的表面为“目标”面,相应的Y形圈表面为“接触”面。接触单元选用二维的TARGE169目标单元和CON-TA172接触单元。接触对间的摩擦类型选用库伦摩擦,接触算法使用扩张的拉格朗日算法,牛顿-拉普森选项使用完全的牛顿-拉普森处理方法,并且在有非对称选项存在的地方用非对称矩阵(NROPT,UN-SYM)。Y形圈在液压往复运动系统中有3种密封状态:非工作状态、静压工作状态和往复工作状态。非工作状态即Y形圈安装后自然产生的压缩预紧状态;静压工作状态即向Y形圈施加恒定油压且Y形圈保持静止的工作状态;往复工作状态即活塞杆往复运动(1个内行程和1个外行程构成1个工作循环)的工作状态。3种工作状态均可由ANSYS软件进行模拟分析,本文作者主要进行静压工作状态的分析,其初始有限元模型由活塞杆沿轴向运动并挤压Y形圈得到(如图2所示)。2结构参数对y形圈密封性能的影响利用ANSYS软件对Y形圈模型进行模拟分析,通过改变Y形圈的结构参数(唇外倾角α和唇谷高hv,如图1所示)和静压工作参数(静态油压p)来得到相应情况下的VonMises应力云图和接触压力云图,据此分析结构参数和不同静态油压对Y形圈密封性能的影响。VonMises应力即等效应力,反映了截面上各主应力差值的大小。一般VonMises应力值越大的区域,材料越容易出现松弛,进而出现裂纹,最终会导致密封失效。接触压力的大小则直接反应了Y形圈的密封性能,接触压力不小于静态油压p是Y形圈保证密封效果的首要条件。2.1静态油压力密封最大接触压力值当静态油压一定(p=10MPa),不同的唇外倾角α(14°~30°)时所得到的最大接触应力值如图3所示。可以看出,当唇外倾角α在14°~24°之间时,最大接触压力值比较稳定,大于静态油压(10MPa),此时才有可能保持密封状态;在24°~30°之间时最大接触压力值出现明显的不稳定状态。根据模拟分析数据,这种不稳定一直持续到55°,因此,此区域不能实现稳定密封;在α<14°时,模拟过程很难实现收敛。图4中Y形圈的接触压力云图(以α=14°时为例)表明,最大接触压力出现在Y形圈两侧密封唇唇外尖角处并能保持在一定的宽度区域,因此可以得到,当唇外倾角α处于14°~24°之间时Y形圈能实现良好的密封效果。2.2最大接触压力值近似自然原理根据前面的分析结果,选取唇外倾角α=15°进行唇谷高hv对Y形圈静密封性能影响的分析。静态油压为10MPa时,不同唇谷高hv所得到的最大接触压力值如图5所示。可以看出,唇谷高hv在5.5~7.5mm之间时,最大接触压力值近似成线性变化,且随hv的增大最大接触压力减小。当5.5mm≤hv≤6.5mm时,最大接触压力值大于静态油压,能够实现密封,而hv>6.5mm时,最大接触压力值近似线性地降低至静态油压10MPa之下,不再能实现密封。表1给出了不同唇谷高hv时的密封区域(接触压力大于静态油压的区域)宽度,可以看出,唇谷高越小,两侧密封唇的密封区域越宽,较宽的密封区域可以使系统保持较好的密封性,但密封区域过宽将会导致摩擦力的增加,最终影响Y形圈的使用寿命。由此可见,为保证Y形圈的使用寿命和良好的密封性能,唇谷高设计值不应太大,也不可太小,设计时应予以注意。2.3静态油压力对y形圈自密封性能的影响在唇谷高hv=6.5mm时,对不同工作状况下的静态油压分别进行模拟,这里选取了3种不同的唇外倾角(15°、18°、20°)以进行对比。各种情况所得最大接触压力值及其与相应静态油压的差值分别如图6,7所示,最大VonMises应力值及其递增值分别如图8,9所示。从图6中可明显看到最大接触压力值随着静态油压的增加而增加,且近似成线性关系,表现出了Y形圈的自密封性能。图7表明,随着油压的增加,最大接触压力值与相应油压的差值在逐渐减小,因此,虽然最大接触压力一直大于相应静态油压,但是Y形圈的密封性能在显著下降。从图8和图9可看出,随着静态油压的增加,Y形圈的最大VonMises应力值也在增加,即Y形圈的材料性能在不断降低,且最大VonMises应力值递增的速度在4MPa时达到最大,在6MPa之后基本保持稳定。并且从图6~9中可以看出,3种不同唇外倾角的Y形圈在相同条件下的曲线近乎重合,可见不同唇外倾角的Y形圈在不同工作油压下所表现出来的特性基本相同。从图10所示的不同工作油压下的VonMises应力云图则能更清晰地看到,不同静态工作油压下,Y形圈的最大VonMises应力均出现在密封唇唇谷处(黑色区域)。所以,过高的静态工作油压很容易导致Y形圈材料的松弛和开裂,进而引起密封失效,而最容易发生的位置则是密封唇唇谷处。3最优模型选取(1)唇外倾角α是Y形圈保持良好密封性能的关键结构参数之一,α太小则模拟分析收敛困难,太大则不能处于稳定的密封状态,其最优取值范围为14°~24°之间。(2)唇谷高hv是